Rotasi benda tegar: latihan soal dengan penyelesaian langkah demi langkah

Latihan soal Rotasi benda tegar gratis dengan diagram, petunjuk, dan pembahasan lengkap. Nilai baru setiap kali, dalam tiga tingkat: momen inersia, ΣM = Iα, usaha dan daya, menggelinding dan momentum sudut.

Soal latihan gratisMudah
L = 2,1 mGOd = 0,5 mm = 4 kg

Sebuah batang langsing homogen bermassa 4 kg dan panjang 2,1 m berputar terhadap sumbu O yang tegak lurus batang, berjarak 0,5 m dari pusatnya G. Tentukan momen inersia massa IO terhadap sumbu itu.

m = 4 kgL = 2,1 md = 0,5 m
kg·m²
Soal berikutnya →

Yang Anda latih

  1. Mudahmomen inersia
  2. SedangΣM = Iα, usaha dan daya
  3. Sulitmenggelinding dan momentum sudut

Cara menyelesaikan soal Rotasi benda tegar

  1. Pilih sumbunya: pivot tetap, atau pusat massa untuk benda yang menggelinding.
  2. Cari momen inersia terhadap sumbu itu dari hasil baku, dengan I = IG + m·d² untuk sumbu yang bergeser.
  3. Pilih metodenya: ΣM = I·α untuk percepatan dan gaya, energi (½·I·ω² + ½·m·v² + m·g·h) untuk kecepatan, momentum sudut untuk tumbukan dan perubahan mendadak.
  4. Hubungkan gerak linear dan sudut dengan v = ω·r dan a = α·r, dan ubah rpm ke rad/s.

Kesalahan umum

  • Memakai momen inersia terhadap pusat untuk benda yang berputar terhadap ujungnya.
  • Melupakan energi kinetik rotasi pada benda yang menggelinding atau katrol.
  • Membiarkan kecepatan dalam rpm pada rumus ω, E, atau P.
  • Menganggap energi kinetik kekal ketika benda saling mencengkeram atau menempel.

Rumus utama

Momen inersia terhadap G
batang mL²/12, cakram ½mR², cincin mR², bola pejal (2/5)mR², bola berongga (2/3)mR²
Teorema sumbu sejajar
I = IG + m·d²
Jari-jari girasi
I = m·k²
Batang terhadap ujungnya
I = mL²/3
Persamaan gerak
ΣM = I·α
Kecepatan dalam rad/s
ω = 2π·n/60
Energi kinetik
E = ½·I·ω²
Usaha dan daya
W = T·θ, P = T·ω
Menggelinding tanpa selip
v = ω·r, E = ½mv²(1 + I/(mr²)), a = g·sin θ/(1 + I/(mr²))
Momentum sudut
L = I·ω, I1ω1 = I2ω2
Tumbukan terhadap pivot
m·v·d = I·ω

Pelajari Rotasi benda tegar dari nol

Sebelum ini: Hukum Newton, Usaha & energi

1Apa itu rotasi benda tegar

Benda tegar adalah benda yang mempertahankan bentuknya: roda gila, katrol, pintu, atau roda yang menggelinding. Dalam topik ini benda berputar terhadap suatu sumbu.

Setiap titik pada benda berputar melalui sudut yang sama dalam waktu yang sama. Jadi Anda menggambarkan geraknya dengan besaran sudut, bukan jarak:

  • θ: sudut putar, dalam radian (rad). Satu putaran penuh adalah 2π rad.
  • ω: kecepatan sudut, dalam rad/s.
  • α: percepatan sudut, dalam rad/s².

Mesin menyatakan kecepatan dalam putaran per menit (rpm). Ubah dulu sebelum menghitung:

ω = 2π·n / 60

Titik pada jarak r dari sumbu bergerak dengan kelajuan v = ω·r dan memiliki percepatan a = α·r sepanjang lintasannya.

Semua yang Anda ketahui tentang gerak lurus memiliki kembaran berputar: gaya menjadi momen, massa menjadi momen inersia, dan ΣF = m·a menjadi ΣM = I·α.

Tes mandiri Sebuah roda berputar pada 600 rpm. Berapa kecepatan sudutnya dalam rad/s?
  1. 10 rad/s
  2. 3770 rad/s
  3. 600 rad/s
  4. 62,8 rad/s

Jawaban: 62,8 rad/s. ω = 2π·600/60 = 2π·10 ≈ 62,8 rad/s. 10 adalah putaran per detik (2π hilang), 3770 lupa membagi dengan 60, dan 600 masih dalam rpm.

2Momen inersia

Massa menunjukkan seberapa sulit mempercepat benda pada garis lurus. Momen inersia massa I menunjukkan seberapa sulit membuatnya berputar.

Massa yang jauh dari sumbu jauh lebih berpengaruh daripada massa yang dekat, karena ia dihitung dengan kuadrat jaraknya:

I = Σ m·r² (satuan: kg·m²)

Anda tidak perlu menjumlahkan potongan-potongannya sendiri. Pelajari hasil standar ini terhadap pusat massa G:

  • Batang langsing dengan panjang L, sumbu melalui tengah: m·L²/12.
  • Cakram padat atau silinder berjari-jari R: ½·m·R².
  • Cincin tipis atau gelang: m·R².
  • Bola pejal: (2/5)·m·R². Bola berongga: (2/3)·m·R².
  • Massa titik pada jarak r: m·r².

Bila sumbu O tidak melalui G, pakai teorema sumbu sejajar. Di sini d adalah jarak antara O dan G:

IO = IG + m·d²
GOdL

Batang yang berputar terhadap ujungnya memiliki d = L/2, sehingga IO = m·L²/12 + m·L²/4 = m·L²/3.

Beberapa soal memberi jari-jari girasi k, bukan bentuk benda. Maka I = m·k². Untuk benda yang tersusun dari beberapa bagian, cari I tiap bagian terhadap sumbu yang sama lalu jumlahkan.

Tes mandiri Sebuah batang homogen bermassa 3 kg dan panjang 2 m berputar terhadap salah satu ujungnya. Berapa momen inersianya?
  1. 1 kg·m²
  2. 12 kg·m²
  3. 3 kg·m²
  4. 4 kg·m²

Jawaban: 4 kg·m². I = m·L²/3 = 3·4/3 = 4 kg·m², atau IG + m·d² = 1 + 3·1² = 4. 1 kg·m² adalah nilai terhadap pusat, 3 kg·m² hanya bagian m·d², dan 12 kg·m² adalah m·L² tanpa faktor.

3Momen, energi, dan momentum sudut

Tiga alat menyelesaikan hampir semua soal rotasi. Pilih yang sesuai dengan pertanyaannya.

1. Momen. Jumlah momen terhadap sumbu sama dengan I·α. Pakai untuk percepatan dan gaya.

ΣM = I·α

Dengan torsi konstan, gerak sudutnya memiliki α konstan, dan persamaan kinematika punya kembaran berputar: ω = ω₀ + α·t dan ω² = ω₀² + 2·α·θ.

2. Energi. Benda yang berputar menyimpan energi kinetik. Torsi T yang memutar benda melalui sudut θ melakukan usaha, dan daya poros yang berputar adalah torsi kali kecepatan sudut:

E = ½·I·ω² W = T·θ P = T·ω

Benda yang menggelinding tanpa selip bergerak dan berputar sekaligus, dengan v = ω·r. Ia memiliki kedua jenis energi kinetik:

E = ½·m·v² + ½·I·ω² = ½·m·v²·(1 + c) c = I/(m·r²)

Bilangan c hanya bergantung pada bentuk: 0,4 untuk bola pejal, 0,5 untuk silinder pejal, 2/3 untuk bola berongga, dan 1 untuk gelang. Pada lereng, a = g·sin θ / (1 + c).

3. Momentum sudut. L = I·ω. Bila tidak ada momen luar yang bekerja terhadap sumbu, L tetap sama, bahkan ketika benda-benda menyatu dan energi kinetik hilang:

I1·ω1 = I2·ω2
Tes mandiri Sebuah motor menghasilkan torsi 100 N·m pada 600 rpm. Berapa dayanya?
  1. 1 kW
  2. 377 kW
  3. 6,28 kW
  4. 60 kW

Jawaban: 6,28 kW. ω = 2π·600/60 = 62,8 rad/s, jadi P = T·ω = 100·62,8 ≈ 6283 W = 6,28 kW. 60 kW memakai rpm sebagai ω, 1 kW memakai putaran per detik, dan 377 kW lupa membagi dengan 60.

4Metode ini selangkah demi selangkah

  1. Gambar benda dan pilih sumbunya: pivot atau poros tetap, atau pusat untuk benda yang menggelinding.
  2. Cari momen inersia terhadap sumbu itu. Pakai hasil standar dan tambahkan m·d² bila sumbu bergeser.
  3. Ubah setiap kelajuan dalam rpm menjadi rad/s dengan ω = 2π·n/60.
  4. Pilih alatnya. Percepatan dan gaya: ΣM = I·α (dengan ΣF = m·a untuk bagian yang bergerak lurus). Kelajuan setelah jarak atau sudut tertentu: energi. Tumbukan, cengkeraman mendadak, dan benda yang menarik massanya ke dalam: momentum sudut.
  5. Hubungkan gerak lurus dan gerak berputar di tempat tali atau kontak menggelinding menyambungkannya: v = ω·r dan a = α·r.
  6. Selesaikan, dan periksa hasilnya dengan alat kedua bila bisa.

Untuk benda yang tergantung pada tali di sekeliling katrol, gambar dua diagram benda bebas: satu untuk balok (gaya) dan satu untuk katrol (momen). Tegangan tali muncul pada keduanya.

5Contoh soal lengkap

Ikuti setiap langkah. Cobalah menebak langkah berikutnya sebelum membukanya.

Contoh soal

Sebuah balok 2 kg tergantung pada tali ringan yang dililitkan pada katrol. Katrol berupa cakram pejal homogen bermassa 4 kg dan berjari-jari 0,2 m pada poros tanpa gesekan. Balok dilepas dari keadaan diam. Pakai g = 9,81 m/s². Cari percepatan balok, tegangan tali, dan kelajuan balok setelah jatuh 1 m.

1

Momen inersia katrol

RM = 4 kgam

Katrol adalah cakram pejal yang berputar terhadap pusatnya.

I = ½·M·R² = ½ · 4 · 0,2² = 0,08 kg·m²
2

Persamaan untuk balok

RM = 4 kgTαTm·gam

Ambil arah ke bawah sebagai positif untuk balok. Gravitasi menariknya ke bawah dan tegangan tali T menariknya ke atas.

m·g − T = m·a ⇒ 19,62 − T = 2·a
3

Persamaan untuk katrol

Hanya tegangan yang memiliki momen terhadap poros, dengan lengan R. Tali tidak selip, jadi α = a/R.

T·R = I·α = I·a/R ⇒ T = I·a/R² = 0,08·a/0,04 = 2·a
4

Selesaikan untuk a dan T

Masukkan T = 2·a ke persamaan balok.

19,62 − 2·a = 2·a ⇒ a = 19,62/4 = 4,905 m/s²
T = 2 · 4,905 = 9,81 N

Katrol berputar dengan α = a/R = 4,905/0,2 ≈ 24,5 rad/s².

5

Kelajuan setelah 1 m

Percepatan konstan dan balok mulai dari diam, jadi pakai v² = 2·a·s.

v = √(2 · 4,905 · 1) = √9,81 ≈ 3,13 m/s
6

Periksa jawabannya

Pakai energi sebagai gantinya. Energi potensial yang hilang menjadi energi kinetik balok dan katrol, dengan ω = v/R.

m·g·h = ½·m·v² + ½·I·(v/R)² ⇒ 19,62 = v² + v²

Jadi v² = 9,81 dan v ≈ 3,13 m/s, sama seperti tadi.

Jawaban

a ≈ 4,91 m/s², T ≈ 9,81 N dan v ≈ 3,13 m/s setelah 1 m.

6Kesalahan umum

  • Membiarkan kelajuan dalam rpm pada ω, E = ½·I·ω² atau P = T·ω. Ubah dulu ke rad/s.
  • Memakai momen inersia terhadap pusat untuk benda yang berputar terhadap ujungnya. Tambahkan m·d².
  • Melupakan energi kinetik rotasi pada benda yang menggelinding atau katrol.
  • Memperlakukan bola atau cakram di ujung batang sebagai massa titik. Tambahkan juga I-nya sendiri terhadap pusatnya.
  • Mengira energi kinetik kekal ketika benda mencengkeram atau menyatu. Pakai momentum sudut sebagai gantinya.
  • Menghitung putaran dalam radian: N = θ/(2π).
Tes mandiri Silinder pejal bermassa 2 kg menggelinding tanpa selip pada 3 m/s. Berapa energi kinetik totalnya?
  1. 13,5 J
  2. 18 J
  3. 4,5 J
  4. 9 J

Jawaban: 13,5 J. E = ½·m·v²·(1 + c) = ½·2·3²·1,5 = 13,5 J, dengan c = 0,5 untuk silinder pejal. 9 J hanya bagian yang bergerak, 4,5 J hanya bagian yang berputar, dan 18 J memakai c = 1, nilai untuk gelang.

7Seperti apa soal ujiannya

  • Mudah: momen inersia. Batang terhadap sumbu yang bergeser, bandul dari batang dan bola atau cakram, energi kinetik roda gila, atau torsi atau waktu yang diperlukan untuk memutar roda gila.
  • Sedang: ΣM = I·α, usaha dan daya. Batang yang dilepas dari posisi mendatar, balok pada katrol, putaran yang dibuat roda gila yang direm, torsi atau daya poros, atau kelajuan batang yang berayun.
  • Sulit: menggelinding dan momentum sudut. Bola, silinder, atau gelang yang menggelinding di lereng, gesekan yang diperlukan untuk menggelinding, bagian energi rotasi, cincin yang dijatuhkan pada cakram yang berputar, orang yang menarik dumbel ke dalam, atau peluru yang mengenai batang tergantung.

Untuk roda gila yang direm, rem melakukan usaha sama dengan energi tersimpan: T·θ = ½·I·ω². Bagi θ dengan 2π untuk mendapat jumlah putaran.

Batang yang disematkan di satu ujung dan dilepas dari posisi mendatar memiliki α = 3·g/(2·L) sesaat setelah dilepas. Ujung bebasnya dipercepat sebesar 1,5·g.

Untuk peluru yang tertanam dalam batang, momentum sudut terhadap pivot tetap: m·v·d = (Irod + m·d²)·ω.

Pelajari selangkah demi selangkah di aplikasiPelajari selangkah demi selangkah di aplikasi

Contoh dengan pembahasan

Contoh 1Mudah
Or = 0,05 mL = 1,5 m1,55 m0,5 kg4,5 kg

Sebuah bandul terbuat dari batang langsing homogen (0,5 kg, panjang 1,5 m) yang berpivot di ujung atasnya O, dengan bola pejal bermassa 4,5 kg dan jari-jari 0,05 m terpasang di ujung bawahnya. Pusat bola berada 1,55 m di bawah O. Tentukan momen inersia massa IO bandul terhadap O.

mrod = 0,5 kgL = 1,5 mmsphere = 4,5 kgr = 0,05 md = 1,55 m

Tentukan IO (kg·m²)

Tampilkan petunjuk
  1. Jumlahkan momen inersia bagian-bagiannya, masing-masing terhadap sumbu O yang sama.
  2. Batang terhadap ujungnya: m·L²/3. Benda: I-nya sendiri terhadap pusat ditambah m·d² (teorema sumbu sejajar).
  3. batang: 0,375 kg·m², benda: 10,82 kg·m².
Tampilkan jawaban dan penyelesaian langkah demi langkah

Mass moment of inertia: I = Σm·r² measures how hard a body is to set spinning. Standard results about the centre of mass G: slender rod m·L²/12, solid disc or cylinder ½·m·R², thin ring m·R², solid sphere (2/5)·m·R². The parallel-axis theorem moves the axis a distance d away from G: I = IG + m·d². With a radius of gyration k, I = m·k². A spinning body has kinetic energy ½·I·ω², and a constant torque gives T = I·α. Convert speeds with ω = 2π·n/60 for n in rpm.

Batang terhadap ujungnya

Irod = m·L²/3 = 0,5·1,5²/3 = 0,375 kg·m²

Benda terhadap pivot

Momen inersianya sendiri terhadap pusat, dipindahkan ke O dengan teorema sumbu sejajar.

Ic = (2/5)·m·r² = (2/5)·4,5·0,05² = 0,0045 kg·m²
Ibody = 0,0045 + 4,5·1,55² = 10,82 kg·m²

Total

IO = 0,375 + 10,82 = 11,19 kg·m²

Jawaban

IO = 11,19 kg·m²
Contoh 2Sedang
9,5 kgaαM = 12,5 kgR = 0,45 m

Sebuah balok 9,5 kg tergantung pada tali ringan yang dililitkan pada katrol, berupa cakram pejal homogen bermassa 12,5 kg dan jari-jari 0,45 m yang berputar pada poros mendatar tanpa gesekan. Balok dilepas dari keadaan diam. Gunakan g = 9,81 m/s². Tentukan kelajuan v balok setelah jatuh sejauh 3,5 m.

m = 9,5 kgM = 12,5 kgR = 0,45 mg = 9,81 m/s²h = 3,5 m

Tentukan v (m/s)

Tampilkan petunjuk
  1. Gambar dua diagram benda bebas: balok (m·g − T = m·a) dan katrol (T·R = I·α).
  2. Tali tidak selip, jadi a = α·R. Dengan I = ½·M·R² jari-jarinya saling meniadakan: a = m·g/(m + M/2).
  3. a = 5,917 m/s².
Tampilkan jawaban dan penyelesaian langkah demi langkah

Rotation about a fixed axis: the sum of the moments about the axis equals I·α (ΣM = I·α), just as ΣF = m·a for translation. In energy form, a torque T turning through an angle θ (in radians) does work T·θ, which changes the kinetic energy ½·I·ω²; gravity adds or removes m·g·Δh of the centre of mass. Power is P = T·ω.

Balok dan katrol

balok: m·g − T = m·a
katrol: T·R = I·α = ½·M·R²·(a/R) → T = ½·M·a

Percepatan

a = m·g/(m + M/2) = 9,5·9,81/(9,5 + 6,25) = 5,917 m/s²

Kelajuan setelah jatuh

v = √(2·a·h) = √(2·5,917·3,5) = 6,436 m/s

Jawaban

v = 6,436 m/s
Contoh 3Sulit
θ = 35°vs = 6,5 m

Sebuah gelung tipis mulai dari diam dan menggelinding tanpa selip menuruni bidang miring yang membentuk sudut 35° terhadap horizontal. Gunakan g = 9,81 m/s². Jari-jarinya 0,15 m. Tentukan kecepatan sudutnya ω setelah menggelinding 6,5 m sepanjang bidang miring.

θ = 35°s = 6,5 mI = m·r²g = 9,81 m/s²r = 0,15 m

Tentukan ω (rad/s)

Tampilkan petunjuk
  1. Energi: m·g·h = ½·m·v² + ½·I·ω², dengan ω = v/r untuk menggelinding tanpa selip.
  2. Dengan I = c·m·r², diperoleh v = √(2·g·h/(1 + c)); massa dan jari-jari saling meniadakan.
  3. h = s·sin θ = 3,728 m, c = 1.
Tampilkan jawaban dan penyelesaian langkah demi langkah

Rolling and angular momentum: a body rolling without slipping has v = ω·r, so its kinetic energy is ½·m·v² + ½·I·ω² = ½·m·v²·(1 + I/(m·r²)). Down a slope that gives a = g·sin θ/(1 + I/(m·r²)). When no external moment acts about an axis, the angular momentum about that axis stays constant, I₁·ω₁ = I₂·ω₂, even if kinetic energy is lost.

Tinggi yang dilalui

h = s·sin θ = 6,5·sin 35° = 3,728 m

Keseimbangan energi pada gerak menggelinding

Menggelinding tanpa selip: ω = v/r, dan gesekan tidak melakukan usaha di titik kontak.

m·g·h = ½·m·v²·(1 + 1)
v = √(2·9,81·3,728/2) = 6,048 m/s
ω = v/r = 6,048/0,15 = 40,32 rad/s

Jawaban

ω = 40,32 rad/s

Tanya jawab

Apa itu Rotasi benda tegar?

Setiap titik pada benda berputar melalui sudut yang sama dalam waktu yang sama. Jadi Anda menggambarkan geraknya dengan besaran sudut, bukan jarak:

Mesin menyatakan kecepatan dalam putaran per menit (rpm). Ubah dulu sebelum menghitung:

Bagaimana cara menyelesaikan soal Rotasi benda tegar langkah demi langkah?
  1. Pilih sumbunya: pivot tetap, atau pusat massa untuk benda yang menggelinding.
  2. Cari momen inersia terhadap sumbu itu dari hasil baku, dengan I = IG + m·d² untuk sumbu yang bergeser.
  3. Pilih metodenya: ΣM = I·α untuk percepatan dan gaya, energi (½·I·ω² + ½·m·v² + m·g·h) untuk kecepatan, momentum sudut untuk tumbukan dan perubahan mendadak.
  4. Hubungkan gerak linear dan sudut dengan v = ω·r dan a = α·r, dan ubah rpm ke rad/s.
Apa kesalahan yang sering terjadi pada Rotasi benda tegar?
  • Memakai momen inersia terhadap pusat untuk benda yang berputar terhadap ujungnya.
  • Melupakan energi kinetik rotasi pada benda yang menggelinding atau katrol.
  • Membiarkan kecepatan dalam rpm pada rumus ω, E, atau P.
  • Menganggap energi kinetik kekal ketika benda saling mencengkeram atau menempel.
Apa saja yang dilatih dalam soal Rotasi benda tegar?
  • Mudah: momen inersia
  • Sedang: ΣM = Iα, usaha dan daya
  • Sulit: menggelinding dan momentum sudut

Setiap soal memakai nilai baru, sehingga Anda mempelajari metodenya, bukan menghafal jawabannya. Buntu? Buka petunjuk kecil terlebih dahulu, dan penjelasan lengkap hanya jika Anda membutuhkannya.

Cara kerja latihan

  • Setiap soal memakai nilai baru, sehingga Anda mempelajari metodenya, bukan menghafal jawabannya.
  • Buntu? Buka petunjuk kecil terlebih dahulu, dan penjelasan lengkap hanya jika Anda membutuhkannya.
  • Kemajuan, kesalahan, dan soal tersimpan Anda disimpan, sehingga Anda dapat mengulasnya sebelum ujian.

Topik sebelum dan sesudah ini

Pelajari dulu

Kalkulator

Mata kuliah dengan topik ini

Topik lain di Mesin

Lembar kerja yang dapat dicetak